焊接熱輸入對SA106C鋼管焊接接頭組織與性能的影響

曾妍，孫旭華，劉云龍，袁琳

（1.中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司成都?jí)嚎s機(jī)分公司， 四川 成都 610100）

（2.塔里木油田分公司英買油氣開發(fā)部， 新疆 庫爾勒 841000）

隨著石油天然氣工業(yè)的不斷發(fā)展，市場對天然氣壓縮機(jī)的排氣壓力要求越來越高，除了對壓縮機(jī)的主機(jī)部件有較高的質(zhì)量要求外，對工藝管線的強(qiáng)度、韌性和焊接性提出了愈來愈高的要求[1-2]。鋼管在焊接過程中，焊材和鋼管會(huì)被強(qiáng)電流瞬間加熱到高溫熔化，然后迅速由液體結(jié)晶凝固成固體，此過程伴隨著組織形態(tài)、類別、分布等的改變，因此在不同熱輸入下焊接的SA106C鋼表現(xiàn)出不同的綜合力學(xué)性能。在實(shí)際生產(chǎn)中，焊接熱輸入的大小與生產(chǎn)效率往往是矛盾的，為了兼顧效率和質(zhì)量，有必要通過試驗(yàn)，確定最佳焊接熱輸入?yún)^(qū)間值，指導(dǎo)實(shí)際現(xiàn)場焊接。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)?zāi)覆臑棣?8.26mm×10.16mm的SA106C鋼管，供貨狀態(tài)為正火，組織為鐵素體加珠光體，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1和表2所示。

表1 SA106C鋼管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 SA106C鋼管力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

將φ48.26mm×10.16mm的SA106C鋼管，切割成長度為150mm的若干管段，在車床上將鋼管管段一端按圖1進(jìn)行加工，然后打磨坡口及內(nèi)外兩側(cè)30mm范圍內(nèi)的銹跡、油污等雜質(zhì)，直至露出金屬光澤。采用GTAW焊接方法，焊絲為φ2.4mm的ER50-G，氬氣流量為12L/min，分別在不同熱輸入下14.40kJ/cm、18.09kJ/cm、22.90kJ/cm、25.10kJ/cm對SA106C鋼管進(jìn)行焊接。

圖1 坡口加工形狀

1.3 檢驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T 228-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)》，室溫拉伸試驗(yàn)在SHT4605型60t微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行；依據(jù)GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，沖擊試驗(yàn)在ZBC2302-C擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沖擊試驗(yàn)溫度為-30℃，試樣尺寸為7.5mm×10mm×55mm；依據(jù)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，焊接接頭焊縫金屬顯微組織在OLYMPUS GX-71F金相顯微鏡上觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 焊接熱輸入對力學(xué)性能的影響

不同焊接熱輸入對SA106C鋼管焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和低溫沖擊功見表3所示，從表3可以看出，隨著焊接熱輸入的增大，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和焊縫沖擊性能都有先增大后減小的趨勢。四種熱輸入下的性能測試說明，焊接過程中，焊接熱輸入過小和過大對力學(xué)性能都有不利的影響?？梢灶A(yù)測，在焊接熱輸入18.09kJ/cm～22.90kJ/cm下SA106C鋼管焊接接頭力學(xué)性能具有最優(yōu)值。

表3 SA106C鋼管焊接接頭力學(xué)性能

2.2 顯微組織分析

不同焊接熱輸入下SA106C鋼管焊接接頭焊縫金屬顯微組織如圖2所示，從圖2可以看出，隨著焊接熱輸入的增加，焊縫金屬顯微組織的類型、形態(tài)和分布各不相同。圖2(a)焊縫組織為大量條狀鐵素體和珠光體；圖2(b)和圖2(c)的組織主要為大量條狀、塊狀鐵素體和珠光體、少量細(xì)針狀的鐵素體、鐵素體并不是貫穿于珠光體之間，而是成塊狀或條狀連續(xù)分布。圖2(d)為塊狀鐵素體和珠光體、且有魏式組織存在。從圖2可以看出，隨著焊接熱輸入的增加，鐵素體的含量逐漸減少，珠光體逐漸增多。焊縫金屬中針狀鐵素體組織時(shí)，焊縫金屬在保證強(qiáng)度的同時(shí)，具備較好低溫沖擊韌性，針狀鐵素體在奧氏體晶內(nèi)形核、長大，具有細(xì)化奧氏體晶粒、提高多道焊焊縫金屬和焊接熱影響區(qū)韌性的作用[3-10]。針狀鐵素體中具有細(xì)小的亞晶結(jié)構(gòu)和高密度的可移動(dòng)位錯(cuò)，易于實(shí)現(xiàn)多滑移，有益于性能的提高[11]，這與表3中力學(xué)性能變化趨勢相一致。

圖2 不同焊接熱輸入的焊縫顯微組織（200×）

不同焊接熱輸入下SA106C鋼管焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織如圖3所示，從圖3可以看出，隨著焊接熱輸入的增加，晶粒大小不一致。隨著焊接熱輸入的增加，熱影響區(qū)的粗晶區(qū)處在Ac1以上，在高溫區(qū)停留時(shí)間長，奧氏體晶粒迅速長大，粗化嚴(yán)重，韌性下降，與表3中的數(shù)據(jù)相一致。

圖3 不同焊接熱輸入的熱影響區(qū)顯微組織（200×）

3 結(jié)論

（1）隨著焊接熱輸入的增加，SA106C鋼管焊接接頭抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和低溫沖擊功有先增大后減小的趨勢。

（ 2 ） 采 用G T A W 焊 接 方 法 焊 接φ48.26mm×10.16mm的SA106C鋼管，隨著焊接熱輸入的增加，焊接接頭熱影響區(qū)晶粒尺寸有逐漸增大的趨勢。

（3）在焊接熱輸入18.09kJ/cm和22.90kJ/cm下焊接φ48.26mm×10.16mm的SA106C鋼管，焊接接頭具有較優(yōu)的綜合力學(xué)性能。

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